气体传感器原理与运用常识
气体传感器是气体检测体系的中心，一般安装在勘探头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。勘探头经过气体传感器对气体样品进行调度，一般包含滤除杂质和搅扰气体、枯燥或制冷处理、样品抽吸，乃至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的丈量。
气体的采样办法直接影响传感器的呼应时刻。现在，气体的采样办法首要是经过简略涣散法，或是将气体吸入检测器。
简略涣散是运用气体天然向四处传达的特性。方针气体穿过探头内的传感器，发作一个正比于气体体积分数的信号。因为涣散进程渐趋减慢，所以涣散法需求探头的方位十分挨近于丈量点。涣散法的一个长处是将气体样本直接引进传感器而无需物理和化学改换。样品吸入式探头一般用于采样方位挨近处理仪器或排气管道。这种技能可认为传感器供给一种速度可控的安稳气流，所以在气流巨细和流速常常改动的情况下，这种办法较值得引荐。将丈量点的气体样本引到丈量探头或许经过一段间隔，间隔的长短首要是依据传感器的规划，但采样线较长会加大丈量滞后时刻，该时刻是采样线长度和气体从走漏点到传感器之间活动速度的函数。关于某种方针气体和汽化物，如SiH4以及大多数生物溶剂，气体和汽化物样品量或许会因为其吸附效果乃至凝结在采样管壁上而削减。
气体传感器是化学传感器的一大类别。从作业原理、特性剖析到丈量技能，从所用资料到制造工艺，从检测方针到运用范畴，都可以构成独立的分类规范，衍生出一个个纷乱杂乱的分类体系，尤其在分类规范的问题上现在还没有一致，要对其进行严厉的体系分类难度颇大。
1、首要特性
1.1 安稳性
安稳性是指传感器在整个作业时刻内根本呼应的安稳性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有方针气体时，整个作业时刻内传感器输出呼应的改动。区间漂移是指传感器接连置于方针气体中的输出呼应改动，表现为传感器输出信号在作业时刻内的下降。抱负情况下，一个传感器在接连作业条件下，每年零点漂移小于10%。
1.2 灵敏度
灵敏度是指传感器输出改动量与被测输入改动量之比，首要依赖于传感器结构所运用的技能。大多数气体传感器的规划原理都选用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是挑选一种灵敏技能，它对方针气体的阀约束(TLV-thresh-old limit value)或最低爆破限(LEL-lower explosive limit)的百分比的检测要有满意的灵敏性。
1.3挑选性
挑选性也被称为穿插灵敏度。可以经过丈量由某一种浓度的搅扰气体所发作的传感器呼应来确认。这个呼应等价于必定浓度的方针气体所发作的传感器呼应。这种特性在追寻多种气体的运用中是十分重要的，因为穿插灵敏度会下降丈量的重复性和可靠性，抱负传感器应具有高灵敏度和高挑选性。
1.4抗腐蚀性
抗腐蚀性是指传感器露出于高体积分数方针气体中的才能。在气体许多走漏时，探头应可以接受希望气体体积分数10~20倍。在回来正常作业条件下，传感器漂移和零点校对值应尽或许小。
气体传感器的根本特征，即灵敏度、挑选性以及安稳性等，首要经过资料的挑选来确认。挑选恰当的资料和开发新资料，使气体传感器的灵敏特性到达最优。
2、首要原理及分类
一般以气敏特性来分类，首要可分为：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、触摸焚烧式气体传感器、光化学型气体传感器、高分子气体传感器等。
2.1 半导体气体传感器
半导体气体传感器是选用金属氧化物或金属半导体氧化物资料做成的元件，与气体相互效果时发作外表吸附或反响，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或外表电位改动。这些都是由资料的半导体性质决议的。
自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器面世以来.半导体气体传感器已经成为当时运用最遍及、最具有实用价值的一类气体传感器，依据其气敏机制可以分为电阻式和非电阻式两种。
电阻式半导体气体传感器首要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金属氧化物薄膜(例如：Sn02，ZnO Fe203，TI02等)制成的阻抗器材，其电阻跟着气体含量不同而改动。气味分子在薄膜外表进行复原反响以引起传感器传导率的改动。为了消除气味分子还有必要发作一次氧化反响。传感器内的加热器有助于氧化反响进程。它具有本钱低价、制造简略、灵敏度高、呼应速度快、寿命长、对湿度灵敏低和电路简略等长处。缺乏之处是有必要作业于高温下、对气味或气体的挑选性差、元件参数涣散、安稳性不行抱负、功率要求高.当勘探气体中混有硫化物时，简略中毒。现在除了传统的SnO，Sn02和Fe203三大类外，又研讨开发了一批新式资料，包含单一金属氧化物资料、复合金属氧化物资料以及混合金属氧化物资料。这些新式资料的研讨和开发，大大进步了气体传感器的特性和运用规模。别的，经过在半导体内添加Pt，Pd，Ir等贵金属能有效地进步元件的灵敏度和呼应时刻。它能下降被测气体的化学吸附的活化能，因而可以进步其灵敏度和加速反响速度。催化剂不同，导致有利于不同的吸附试样，然后具有挑选性。例如各种贵金属对Sn02基半导体气敏资料掺杂，Pt，Pd，Au进步对CH4的灵敏度，Ir下降对CH4的灵敏度；Pt，Au进步对H2的灵敏度，而Pd下降对H2的灵敏度。运用薄膜技能、超粒子薄膜技能制造的金属氧化物气体传感器具有灵敏度高(可达10-9级)、一致性好、小型化、易集成等特色。
非电阻式半导体气体传感器是MOS二极管式和结型二极管式以及场效应管式(MOSFET)半导体气体传感器。其电流或电压跟着气体含量而改动，首要检测氢和硅烧气等可燃性气体。其间，MOSFET气体传感器作业原理是挥发性有机化合物(VOC)与催化金属(如钮)触摸发作反响，反响产品涣散到MOSFET的栅极，改动了器材的功用。经过剖析器材功用的改动而辨认VOC。经过改动催化金属的品种和膜厚可优化灵敏度和挑选性，并可改动作业温度。MOSFET气体传感器灵敏度高，但制造工艺比较复杂，本钱高。
2.2 电化学型气体传感器
电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四品种型。原电池式气体传感器经过检测电流来检测气体的体积分数，市售的检测缺氧的仪器简直都配有这种传感器，近年来，又开 发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。可控电位电解式传感器是经过丈量电解时流过的电流来检测气体的体积分数，和原电池式不同的是，需求由外界施加特定电压，除了能检测CO，NO，N02，02，S02等气体外，还能检测血液中的氧体积分数。电量式气体传感器是经过被测气体与电解质反响发作的电流来检测气体的体积分数。离子电极式气体传感器呈现得较早，经过丈量离子极化电流来检测气体的体积分数已电化学式气体传感器首要的长处是检测气体的灵敏度高、挑选性好。
2.3固体电解质气体传感器
固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。20世纪70年代开端，固体电解质气体传感器因为电导率高、灵敏度和挑选性好，获得了敏捷的开展，现在简直运用于环保、节能、矿业、汽车工业等各个范畴，其产量大、运用广，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。近来国外有些学者把固体电解质气体传感器分为下列三类：
（1）资猜中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子相同的传感器，例如氧气传感器等。
（2）资猜中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子不相同的传感器，例如用于丈量氧气的由固体电解质SrF2H和Pt电极组成的气体传感器。
（3）资猜中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离子以及资猜中的固定离子都不相同的传感器，例如新开发高质量的C02固体电解质气体传感器是由固体电解质NASICON(Na3Zr2Si2P012)和辅佐电极资料Na2CO3-BaC03或Li2C03-CaC03，Li2C03- BaC03组成的。
现在新近开发的高质量固体电解质传感器绝大多数归于第三类。又如：用于丈量N02的由固体电解质NaSiCON和辅佐电极N02- Li2C03制成的传感器；用于丈量H2S的由固体电解质YST-Au-W03制成的传感器；用于丈量NH3的由固体电解质NH4-Ca203制成的传感器；用于丈量N02的由固体电解质Ag0.4Na7.6和电极Ag-Au制成的传感器等。
2.4触摸焚烧式气体传感器
触摸焚烧式气体传感器可分为直触摸摸焚烧式和催化触摸焚烧式，其作业原理是气敏资料(如Pt电热丝等)在通电状态下，可燃性气体氧化焚烧或许在催化剂效果下氧化焚烧，电热丝因为焚烧而生温，然后使其电阻值发作改动。这种传感器对不焚烧气体不灵敏，例如在铅丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，即能检测各种可燃气体。这种传感器有时称之为热导性传感器，遍及适用于石油化工厂、造船厂、矿井地道和澡堂厨房的可燃性气体的监测和报警。该传感器在环境温度下十分安稳，并能对处于爆破下限的绝大多数可燃性气体进行检测。
2.5光学式气体传感器
光学式气体传感器包含红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学资料型等，首要以红外吸收型气体剖析仪为主，因为不同气体的红外吸收峰不同，经过丈量和剖析红外吸收峰来检测气体。现在的最新动向是研发开发了流体切换式、流程直接测定式和傅里叶改换式在线红外剖析仪。该传感器具有高抗振才能和抗污染才能，与计算机相结合，能接连测验剖析气体，具有主动校对、主动运转的功用。光学式气体传感器还包含化学发光式、光纤荧光式和光纤波导式，其首要长处是灵敏度高、可靠性好。
光纤气敏传感器的首要部分是两头涂有活性物质的玻璃光纤。活性物质中含有固定在有机聚合物基质上的荧光染料，当VOC与荧光染料发作效果时，染料极性发作改动，使其荧光发射光谱发作位移。用光脉冲照耀传感器时，荧光染料会发射不同频率的光，检测荧光染料发射的光，可辨认VOC。
2.6高分子气体传感器
近年来，国外在高分子气敏资料的研讨和开发上有了很大的开展，高分子气敏资料因为具有易操作性、工艺简略、常温挑选性好、价格低价、易与微结构传感器和声外表波器材相结合等特色，在毒性气体和食物鲜度等方面的检测具有重要效果。高分子气体传感器依据气敏特性首要可分为下列几种：
（1）高分子电阻式气体传感器
该类传感器是经过丈量高分子气敏资料的电阻来丈量气体的体积分数，现在的资料首要有欧菁聚合物、LB膜、聚毗咯等。其首要长处是制造工艺简略、本钱低价。但这种气体传感器要经过电聚合进程来激活，这既消耗时刻，又会引起各批次产品之间的功用差异。
（2）浓差电池式气体传感器
浓差电池式气体传感器的作业原理是：气敏资料吸收气体时构成浓差电池，丈量输出的电动势就可丈量气体体积分数，现在首要有聚乙烯醇-磷酸等资料。
（3）面波(SAW)式气体传感器SAW气体传感器制造在压电资料的衬底上，一端的外表为输入传感器，另一端为输出传感器。两者之间的区域淀积了能吸附VOC的聚合物膜。被吸附的分子添加了传感器的质量，使得声波在资料外表上的传达速度或频率发作改动，经过丈量声波的速度或频率来丈量气体体积分数。首要气敏资料有聚异丁烯、氟聚多元醇等，用来丈量苯乙烯和甲苯等有机蒸汽。其优势在于挑选性高、灵敏度高、在很宽的温度规模内安稳、对湿度呼应低和杰出的可重复性。SAW传感器输出为准数字信号，因而可简洁地与微处理器接口。此外，SAW传感器选用半导体平面工艺，易于将灵敏器与般配的电子器材结合在一起，完成微型化、集成化，然后下降丈量本钱。
（4）振子式气体传感器
石英振子微秤(QCM)由直径为数微米的石英振荡盘和制造在盘两头的电极构成。当振荡信号加在器材上时，器材会在它的特征频率。~30MHz)发作共振。振荡盘上淀积了有机聚合物，聚合物吸附气体后，使器材质量添加，然后引起石英振子的共振频率下降，经过测定共振频率的改动来辨认气体。
高分子气体传感器，对特定气体分子的灵敏度高、挑选性好，结构简略，可在常温下运用，弥补其他气体传感器的缺乏，开展前景杰出。
3、加工技能
在传感器技能里，气敏元件的制造工艺许多，但针对气体传感器的特性、资料，首要选用微电子机械技能(MEMT)。
微电子机械技能是以微电子技能和微加工技能为根底的一种新技能，分为体微机械技能、外表微机械技能和X射线深层光刻电铸成型(LIGA)技能。体微机械技能加工方针以体硅单晶为主，加工厚度几十至数百微米，关键技能是腐蚀技能和键合技能，长处是设备和工艺简略，但可靠性差；外表微机械技能运用半导体工艺，如氧化、涣散、光刻、薄膜堆积、献身层和剥离等专门技能进行加工，厚度为几微米，长处是与IC工艺兼容性好，但纵向尺度小，无法满意深邃宽比的要求，受高温的影响较大；LIGA技能选用传统的X射线包光，厚光刻胶作掩膜，电铸成型工艺，加工厚度到达数微米至数十微米，可完成重复精度很高的大批量出产。
微电子机械技能是经过体系的微型化、集成化来探究具有新原理、新功用的元件和体系。
4、开展方向
近年来，因为在工业出产、家庭安全、环境监测和医疗等范畴对气体传感器的精度、功用、安稳性方面的要求越来越高，因而对气体传感器的研讨和开发也越来越重要。跟着先进科学技能的运用，气体传感器开展的趋势是微型化、智能化和多功用化。深入研讨和把握有机、无机、生物和各种资料的特性及相互效果，了解各类气体传感器的作业原理和效果机理，正确挑选各类传感器的灵敏资料，灵活运用微机械加工技能、灵敏薄膜构成技能、微电子技能、光纤技能等，使传感器功用最优化是气体传感器的开展方向。
4.1新气敏资料与制造工艺的研讨开发
对气体传感器资料的研讨标明，金属氧化物半导体资料Zn0，SIlo2，Fe203等己趋于成熟化，特别是在C比，C2H5OH，CO等气体检测方面。现在这方面的作业首要有两个方向：一是运用化学润饰改性办法，对现有气体灵敏膜资料进行掺杂、改性和外表润饰等处理，
并对成膜工艺进行改善和优化，进步气体传感器的安稳性和挑选性；二是研发开发新的气体灵敏膜资料，如复合型和混合型半导体气敏资料、高分子气敏资料，使得这些新资料对不同气体具有高灵敏度、高挑选性、高安稳性。因为有机高分子灵敏资料具有资料丰厚、本钱低、制膜工艺简略、易于与其它技能兼容、在常温下作业等长处，已成为研讨的热门。
4.2新式气体传感器的研发
沿袭传统的效果原理和某些新效应，优先运用晶体资料(硅、石英、陶瓷等)，选用先进的加工技能和微结构规划，研发新式传感器及传感器体系，如光波导气体传感器、高分子声外表波和石英谐振式气体传感器的开发与运用，微生物气体传感器和仿生气体传感器的研讨。跟着新资料、新工艺和新技能的运用，气体传感器的功用更趋完善，使传感器的小型化、微型化和多功用化具有长时间安稳性好、运用方便、价格低价等长处。
4.3气体传感器智能化
跟着人们生活水平的不断进步和对环保的日益注重，对各种有毒、有害气体的勘探，对大气污染、工业废气的监测以及对食物和寓居环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技能等新资料研发技能的成功运用为气体传感器集成化和智能化供给了很好的前提条件。气体传感器将在充分运用微机械与微电子技能、计算机技能、信号处理技能、传感技能、故障诊断技能、智能技能等多学科归纳技能的根底上得到开展。研发可以一起监测多种气体的全主动数字式的智能气体传感器将是该范畴的重要研讨方向。
